(57)【要約】【課題】  下水処理場等の水処理施設において常に一定の発電量を供給することができる発電システムを提供する。【解決手段】  発電システム１０は、被処理水を貯留する曝気槽１１と、曝気槽１１に設けられ、曝気槽１１内に被処理水の旋回水流を生じさせる散気装置１３と、被処理水の旋回水流を受けて回転する水車１５と、水車１５の回転動力により発電を行う発電機１７と、を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理水を貯留する曝気槽と、
前記曝気槽に設けられ、前記曝気槽内に前記被処理水の旋回水流を生じさせる散気装置と、
前記被処理水の前記旋回水流を受けて回転する水車と、
前記水車の回転動力により発電を行う発電機と、
を備える発電システム。
【請求項２】
前記水車は、当該水車の周方向に設けられ前記旋回水流を受ける面を有する複数の羽根を有し、
前記面は、凹状に湾曲している、
ことを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記複数の羽根の各々は、前記水車の放射方向にある一対の端縁の少なくとも一方が外側に向かって先細っていることを特徴とする請求項２に記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水力を利用した発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、下水処理場等における放流水のエネルギを利用して発電を行う技術が提案されている（例えば、以下の特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−２６９３１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
下水処理場等における放流水は一定でなく、時間や季節毎でその流量が大きく変動する。例えば、ある都市での下水処理場への流入水量は一日のうち次のように変動する。最も流入水量が多い１０時の流入水量を１００Ｑとすると、１０時以降は徐々に減少し、１６時には約５４Ｑとなる。１６時以降、流入水量は増加し、２０時に二次のピークを迎え約８７Ｑとなる。その後、流入水量は減少し２４時に６９Ｑ、２時に３３Ｑ、６時に最低の流量である２０Ｑとなる。また、一年を通じては夏期に流入水量が多く、冬場の流入水量は少ない。このように、下水処理場では、処理する流入水の水量が変動することから、放流水の水量もそれに応じて変動することとなる。従って、放流水による発電では、一定の発電量を確保することができない。
【０００４】
本発明は、上記課題を解決するために成されたものであり、下水処理場等の水処理施設において常に一定の発電量を供給することができる発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明者は、下水処理場等に設置されている曝気槽に滞留する水量が年間を通してほぼ一定であり、また散気装置により曝気槽内の被処理水に一定の流速の旋回水流が発生している点に着目し、本発明を完成させるに至った。
【０００６】
本発明に係る発電システムは、（１）被処理水を貯留する曝気槽と、（２）曝気槽に設けられ、曝気槽内に被処理水の旋回水流を生じさせる散気装置と、（３）被処理水の旋回水流を受けて回転する水車と、（４）水車の回転動力により発電を行う発電機と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
この発電システムでは、曝気槽に被処理水が入れられた状態で散気装置により散気がなされると、旋回水流が生じる。この水流により水車が回転し、発電機により発電が行われる。この発電システムは、例えば、水処理施設において常にほぼ一定の水量の被処理水を保持する曝気槽を用いて構成されることにより、一定の発電量を供給することができる。
【０００８】
また、発電システムにおいて、水車は、当該水車の周方向に設けられ前記旋回水流を受ける面を有する複数の羽根を有し、上記面は、凹状に湾曲している、ことを特徴としてもよい。曝気槽では、水車に懸垂しやすい篩渣や藻類等が被処理水に含まれていることが多い。上記の構造では、水車が回転した際、羽根の上を水がより勢いよく流れるため、篩渣や藻類等が羽根に懸垂しにくく、篩渣や藻類等が懸垂することによる発電能力の低下等を防ぐことができる。
【０００９】
また、発電システムにおいて、複数の羽根の各々は、水車の放射方向にある一対の端縁の少なくとも一方が外側に向かって先細っていることを特徴としてもよい。上記の構造では、水車が回転した際、先細り形状の先端に向かって水が流れるようになっているため、更に篩渣や藻類等が羽根に懸垂しにくくすることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、下水処理場等の水処理施設において常に一定の発電量を供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１２】
本実施形態に係る発電システムは、水処理施設において用いられる。水処理施設は、例えば、下水処理施設、産業排水処理施設及び農業集落排水処理施設等が該当する。そのうちの下水処理施設における処理の流れを、以下簡単に説明する。
【００１３】
下水処理施設に集められた被処理水（下水）は、まず沈砂池に入れられる。沈砂池では、土砂類が沈殿させられ取り除かれる。沈砂池で処理された被処理水は、ポンプで汲み上げられ初沈槽に送られる。初沈槽では、被処理水は２〜３時間程度滞留させられ、沈砂池で沈まなかった細かい汚泥が底に沈められる。初沈槽を滞留した被処理水は、曝気槽に送られる。曝気槽では、被処理水に活性汚泥が加えられ、散気装置により散気されながら、被処理水は６〜８時間程度かけてかき混ぜられる。これにより、被処理水中の汚れが分解される。曝気槽で処理された被処理水は、後沈槽に送られる。後沈槽では、被処理水は３〜４時間程度停留させられ、曝気槽で生じた汚泥のかたまりが底に沈められる。底に溜まった汚泥は、掻き寄せ装置により掻き寄せされ、集められて引き出された後、汚泥処理施設に送られる。上澄みの綺麗な被処理水は、必要に応じて塩素消毒されて高度処理施設に送られた後、河川等の系外へ排出される。
【００１４】
上記の下水処理施設における処理の流れにおいて、曝気槽には年間を通してほぼ一定の水量の被処理水が滞留している。また、散気装置により曝気槽内の被処理水には一定の流速の旋回水流が発生している。本実施形態における発電システムは、このような水処理施設における曝気槽を用いて構成される。
【００１５】
図１は、本実施形態に係る発電システム１０の構成を示す正断面図である。図１に示すように、発電システム１０は、曝気槽１１、仕切壁１２、散気装置１３、ブロワ１４、水車１５及び発電機１７を備えている。
【００１６】
曝気槽１１は、底壁部、四方の側壁部を有しており、被処理水を貯留することができるようになっている。仕切壁１２は、曝気槽１１の前後の側壁部の間に横架され、曝気槽１１の底面より所定間隔を隔てた高さ位置から、左右の側壁部に平行になるように鉛直方向に立設されている。これにより、曝気槽１１は第１の水路２１及び第２の水路２２の２つの水路に区分される。
【００１７】
散気装置１３は、第２の水路２２の深さ方向における中央部に設けられている。ここで、中央部とは、曝気槽１１の深さをＤＷとしたとき、その１／３〜２／３の深さの部分をいう。よって、１０ｍ程度の深さの深槽曝気槽を考えたとき、散気装置１３は水面から４ｍ〜６ｍの深さ位置に設けられていると好ましい。水面から４ｍよりも浅い位置に散気装置１３が設けられていると、散気された空気との接触時間が短くなって、旋回水流が生じ難くなる傾向にある。また、水面から６ｍよりも深い位置に散気装置１３が設けられていると、ブロワ１４への付加が高くなる傾向にある。なお、散気装置１３の深さ位置は、気泡が放出される散気面を基準として考える。
【００１８】
ブロワ１４は、散気装置１３と空気供給ラインにより接続されており、ブロワ１４から空気が送られることにより、散気装置１３から散気が行われる。
【００１９】
水車１５は、被処理水の旋回水流を受けて回転するように曝気槽１１の上部に設けられている。水車１５は、曝気槽１１に通常滞留している量の被処理水により最下部の羽根１６が浸される程度の高さに位置している。また、水車１５は、図２に示すように、周方向に設けられた複数の羽根１６を有しており、当該複数の羽根１６の各々が順次旋回水流を受けることにより回転する。また、水車１５が設けられる水路方向の位置は、散気装置１３からの散気により発生した旋回水流をよりよく受けられるように、散気装置１３が無い第１の水路２１の上部とするのが好ましい。また図３に示すように、水車１５は、曝気槽１１における水車１５の軸方向の長さ（曝気槽１１の奥行き）に合わせて、複数連結させてもよい。通常、曝気槽１１における奥行き方向の長さは、幅方向の長さの５倍以上あることが多いので、上記のように複数の水車１５を用いることが好ましい。
【００２０】
図４に水車１５に備えられる羽根１６の斜視図を示す。また、図５（ａ）に正面図、図５（ｂ）に側面図、及び図５（ｃ）に底面図を示す。また、図６には、図５のＶＩ（ａ）断面、ＶＩ（ｂ）断面及びＶＩ（ｃ）断面で示した各切断部における端面図を示す。また、図７には、図５のＶＩＩ（ａ）断面、ＶＩＩ（ｂ）断面及びＶＩＩ（ｃ）断面で示した各切断部における端面図を示す。
【００２１】
羽根１６は、図４及び図５に示すように、ほぼ六角形の形状をしており、旋回水流を受けることができるよう適度の厚さを有している。この羽根１６は、両端部１６ａ，１６ｂの辺が水車１５の中心に向かうように、図２に示す水車１５の外輪部１５ａ，１５ｂに接合されている。また、主に旋回水流を受ける部分である、両端部１６ａ，１６ｂに挟まれた水受部１６ｃは、図４〜図７に示すように、凹状に湾曲した面を有している。また、水車１５の放射方向にある一対の端縁１６ｄ，１６ｅは、図４〜図７に示すように、先端に向けて尖った形状となっている。
【００２２】
発電機１７は、水車１５の回転動力により発電を行う。発電機１７は、図２に示すように、水車１５に接続された軸１８から回転動力を得る。
【００２３】
次に、発電システム１０の作用及び効果について説明する。まず、図１に示すように、曝気槽１１内に被処理水が停留される。このとき、水面は仕切壁１２の上端よりも上にある。そして、ブロワ１４を作動させて空気供給ラインから散気装置１３に向けて空気を供給する。すると、散気装置１３から微細気泡が被処理水中に散気され、第２の水路２２において上昇水流が生じる。そして、この上昇水流が第１の水路２１に流れ込み、図１の矢印αで示すように、第１の水路２１と第２の水路２２との間で旋回水流が生じる。
【００２４】
発生した旋回水流により、水車１５の羽根１６の各々に水の圧力が加わり、水車１５が回転する。この水車１５の回転動力により発電機１７が発電を行う。また、羽根１６の各々は、水車１５の回転に伴い被処理水への出入りを繰り返す。羽根１６の各々が被処理水から出る際、被処理水が羽根から滴り落ちるが、水受部１６ｃ及び一対の端縁１６ｄ，１６ｅの凹状の湾曲、及び形状により、端縁の先端へ向かうような流れができ、より被処理水が滴り落ちやすくなっている。
【００２５】
上述したように、水処理施設における曝気槽１１は、常にほぼ一定の水量の被処理水を保持しているので、一定の流速の旋回水流が常に発生している。従って、この一定の旋回水流により、一定の発電量を供給することができる。通常、曝気槽１１における旋回水流の速度は、約０．３ｍ／ｓｅｃであるので、数〜数十ＫＷの出力の発電を行うことができる。例えば、旋回水流を受ける面が１ｍ四方の羽根１６を十数枚有する水車１５を５基備えている発電システム１０は、約２０ＫＷの発電を行うことができる。
【００２６】
ところで、曝気槽１１では、被処理水が下水であることが多く、従って、水車１５に懸垂しやすい篩渣や藻類等が被処理水に含まれていることが多い。本実施形態のように、水車１５の羽根１６の各々における、旋回水流を受ける面を凹状に湾曲させることとすれば、羽根１６の水が滴り落ちやすくなるので、篩渣や藻類等が羽根に懸垂しにくく、篩渣や藻類等が懸垂することによる発電能力の低下等を防ぐことができる。
【００２７】
また、本実施形態のように羽根１６の各々を、水車１５の放射方向の両縁を先細っている形状とすれば、更に篩渣や藻類等が羽根に懸垂しにくくすることができる。
【００２８】
また、水車１５が回転した際に、水車１５の周囲の空気が被処理水に取り込まれるため、被処理水中に含まれる活性汚泥に空気を供給するという、曝気槽１１の本来の効果も更に向上させることができる。
【００２９】
また、水処理施設において曝気槽１１は地下深いところにあり、蛍光灯等の証明装置が必要となることが多い。ブロワ１４を作動させるのにも電力が必要となる。これらの箇所に本発電システム１０で発電された電気を供給することにより、水処理施設全体の省電力化に貢献することができる。
【００３０】
なお、本実施形態における曝気槽１１は、従来から水処理施設で用いられているものでもよく、水車１５及び発電機１７を曝気槽１１に設置するだけで実施することができ、容易な実施が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態に係る発電システムの構成を示す正断面図である。
【図２】実施形態における水車の斜視図である。
【図３】実施形態における水車及び発電機の構成を示す図である。
【図４】実施形態における水車の羽根の斜視図である。
【図５】実施形態における水車の羽根の正面図、側面図及び底面図である。
【図６】図５における断面における端面図である。
【図７】図５における断面における端面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０…発電システム、１１…曝気槽、１２…仕切壁、１３…散気装置、１４…ブロワ、１５…水車、１６…羽根、１７…発電機。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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